本發(fā)明屬于大氣微波無源遙感領(lǐng)域，具體涉及到一種基于雙頻天線的地基氣象微波輻射計(jì)系統(tǒng)及測量方法。

背景技術(shù)：

微波輻射計(jì)作為一種被動(dòng)遙感探測設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡單，可以連續(xù)不間斷的接收大氣自身發(fā)射的微波輻射信號(hào)，并從大氣亮溫信號(hào)中直接反演出溫度、濕度以及液態(tài)水含量等氣象要素的大氣垂直分布信息，從而準(zhǔn)確的預(yù)測中小尺度天氣災(zāi)害，對(duì)于實(shí)時(shí)氣象預(yù)報(bào)具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。近年來，國內(nèi)對(duì)氣象微波輻射計(jì)在災(zāi)害天氣預(yù)報(bào)方面的應(yīng)用已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。理論及實(shí)踐研究證明：對(duì)于暴風(fēng)雨、降雨、霧、冰凍等天氣能滿足即時(shí)預(yù)報(bào)的要求，從而能彌補(bǔ)氣象雷達(dá)、探空氣球等其它設(shè)備在天氣即時(shí)預(yù)報(bào)方面的不足。

目前，美國Radiometrics公司和德國RPG公司生產(chǎn)的微波輻射計(jì)均采用了通過極化柵網(wǎng)共用反射面或者拋物面的方式，這種天線形式的缺點(diǎn)是：天線加工成本比較高，同時(shí)極化柵網(wǎng)引入了損耗，降低了天線的性能。國內(nèi)有單位提出了雙頻獨(dú)立反射面的地基微波輻射計(jì)，但是，兩個(gè)頻段(K波段和V波段)的天線并排獨(dú)立放置，所占體積較大；同時(shí)由于天線并排放置，兩個(gè)頻段所測量的天空大氣在空間位置上有一定的錯(cuò)位，引入了額外的誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于雙頻天線的地基氣象微波輻射計(jì)系統(tǒng)及測量方法，本發(fā)明的輻射計(jì)采用雙頻獨(dú)立旋轉(zhuǎn)天線來替代采用極化柵網(wǎng)共用反射面或拋物面的雙頻天線。

基于雙頻天線的地基氣象微波輻射計(jì)系統(tǒng)，包括微波輻射計(jì)、電機(jī)、氣壓傳感器、紅外輻射計(jì)、GPS、溫濕傳感器、雨量傳感器、數(shù)據(jù)采集與控制器、電源模塊、計(jì)算機(jī)、室溫黑體定標(biāo)源，氣壓傳感器、紅外輻射計(jì)、GPS、溫濕傳感器、雨量傳感器分別與數(shù)據(jù)采集與控制器相連，數(shù)據(jù)采集與控制器與計(jì)算機(jī)相連，通過電源模塊為系統(tǒng)各器件供電，室溫黑體定標(biāo)源安裝在微波輻射計(jì)內(nèi)，其特征在于：所述的微波輻射計(jì)由K波段天線、K波段接收機(jī)、V波段天線、V波段接收機(jī)組成，K波段天線與K波段接收機(jī)相連，V波段天線與V波段接收機(jī)相連，K波段接收機(jī)和V波段接收機(jī)分別與數(shù)據(jù)采集與控制器相連，且K波段天線與V波段天線背對(duì)背安裝，電機(jī)控制整個(gè)微波輻射計(jì)旋轉(zhuǎn)。微波輻射計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行大氣測量時(shí)，需要對(duì)微波輻射計(jì)進(jìn)行定標(biāo)。系統(tǒng)自身帶有室溫黑體定標(biāo)源，通過對(duì)微波輻射計(jì)進(jìn)行定標(biāo)，使系統(tǒng)的輸出電壓轉(zhuǎn)換為大氣輻射亮溫。本發(fā)明的兩個(gè)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)天線用于信號(hào)接收，其中K波段天線和V波段天線接收的信號(hào)分別送入K波段接收機(jī)和V波段接收機(jī)，信號(hào)經(jīng)濾波、放大、下變頻以及檢波后，與氣壓傳感器、GPS、溫濕傳感器、雨量傳感器以及紅外輻射計(jì)采集的信號(hào)一起送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，最終反演出大氣溫度、濕度廓線以及液態(tài)水含量。其中，紅外輻射計(jì)可用來判斷是否有云，并根據(jù)有云的情況測出云底的溫度和云底的高度，這些信息可用于大氣參量的反演。

所述的K波段天線和V波段天線背對(duì)背安裝是指K波段天線和V波段天線的前饋拋物面天線或卡塞格倫天線上下背靠背疊放，當(dāng)K波段天線指向天空進(jìn)行測量時(shí)，V波段天線指向室溫黑體進(jìn)行定標(biāo)；然后旋轉(zhuǎn)微波輻射計(jì)，V波段天線指向天空進(jìn)行測量時(shí)，K波段天線指向室溫黑體進(jìn)行定標(biāo)，周而復(fù)始。這種天線體制的加工難度和成本不僅較低，而且由于減少了極化柵網(wǎng)，天線損耗降低，增加了輻射計(jì)系統(tǒng)的靈敏度；此外，由于一個(gè)頻段的輻射計(jì)進(jìn)行大氣測量時(shí)，另外一個(gè)頻段可以進(jìn)行常溫黑體定標(biāo)，通過增加定標(biāo)的次數(shù)，有利于提高微波輻射計(jì)的長期穩(wěn)定度；與其它并排獨(dú)立放置兩個(gè)頻段天線的模式相比，兩個(gè)頻段的天線所測量的大氣在空間位置上是重疊的，減少了兩個(gè)頻段天線接收區(qū)域錯(cuò)位帶來的誤差，同時(shí)有效節(jié)省了空間。

一種基于雙頻天線的地基氣象微波輻射計(jì)系統(tǒng)的測量方法，其特征在于按系統(tǒng)四點(diǎn)定標(biāo)、噪聲注入定標(biāo)或者增益定標(biāo)、以及傾斜曲線定標(biāo)的步驟進(jìn)行，具體如下：

(1)進(jìn)行大氣亮溫測量前，首先對(duì)輻射計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行四點(diǎn)定標(biāo)；輻射計(jì)系統(tǒng)的非線性模型由下式給出：

V＝GT^α,0.9≤α≤1.1 (1)

上式中，V為檢波器端電壓,G是系統(tǒng)增益,a是非線性因子,T是系統(tǒng)噪聲溫度T_sys與環(huán)境噪聲溫度T_SC之和；其中，非線性因子α，系統(tǒng)噪聲溫度T_sys以及系統(tǒng)增益G都是未知的，常規(guī)兩點(diǎn)定標(biāo)無法求出三個(gè)未知數(shù)；為此，采用四點(diǎn)定標(biāo)的方法，即通過增加一個(gè)額外的注入噪聲溫度T_n來產(chǎn)生四個(gè)方程，從而獲得系統(tǒng)的定標(biāo)方程；

T_sys+T_cold＝G^-α'V₁^α' (2)

T_sys+T_cold+T_n＝G^-α'V₂^α' (3)

T_sys+T_hot＝G^-α'V₃^α' (4)

T_sys+T_hot+T_n＝G^-α'V₄^α' (5)

上式中，V₁是噪聲二極管關(guān)閉時(shí)輻射計(jì)天線端指向冷源時(shí)的輸出電壓，V₃是噪聲二極管關(guān)閉時(shí)輻射計(jì)天線端指向熱源時(shí)的輸出電壓，冷源指液氮，熱源指室溫黑體，T_cold是冷源溫度，T_hot是熱源溫度，V₂是噪聲二極管打開時(shí)輻射計(jì)天線端指向冷源時(shí)的輸出電壓；V₄是噪聲二極管打開時(shí)輻射計(jì)天線端指向熱源時(shí)的輸出電壓；

(2)當(dāng)K波段天線指向天空進(jìn)行測量時(shí)，V波段天線指向室溫黑體進(jìn)行定標(biāo)；此時(shí)，V波段天線根據(jù)需要進(jìn)行噪聲注入定標(biāo)或者增益定標(biāo)；其中，增益定標(biāo)的次數(shù)應(yīng)多于噪聲注入定標(biāo)的次數(shù)；通過增加定標(biāo)的次數(shù)，有利于提高微波輻射計(jì)的長期穩(wěn)定度；旋轉(zhuǎn)天線，當(dāng)V波段天線指向天空進(jìn)行測量時(shí)，此時(shí)，K波段天線指向室溫黑體進(jìn)行定標(biāo)，K波段天線根據(jù)需要進(jìn)行噪聲注入定標(biāo)或者增益定標(biāo)；而噪聲注入定標(biāo)和增益定標(biāo)的具體步驟分別如下：

噪聲注入定標(biāo)的步驟：四點(diǎn)定標(biāo)過程結(jié)束后，由于噪聲二極管的注入噪聲溫度T_n和系統(tǒng)非線性因子a比較穩(wěn)定，系統(tǒng)的噪聲溫度T_sys和增益G相對(duì)沒那么穩(wěn)定，需要實(shí)時(shí)再進(jìn)行修正；此時(shí)，在不使用液氮冷源的情況下，只使用內(nèi)部的室溫吸波材料作為熱源(T_hot)，采用噪聲注入的方法進(jìn)行定標(biāo)，再次修正T_sys和G；此處，噪聲二極管注入溫度T_n和非線性修正系數(shù)α為已知值，定標(biāo)方程如下：

T_sys+T_hot＝G^-α'V₃^α' (6)

T_sys+T_hot+T_n＝G^-α'V₄^α' (7)

增益定標(biāo)的步驟：接收機(jī)溫度的微小變化都將使增益產(chǎn)生波動(dòng)，因此需要更加頻繁的對(duì)增益記性定標(biāo)；假定系統(tǒng)噪聲溫度T_sys穩(wěn)定，通過單點(diǎn)定標(biāo)就可以對(duì)增益G進(jìn)行修正，定標(biāo)方程如下：

T_sys+T_hot＝G^-α'V₃^α' (8)

(3)傾斜曲線定標(biāo)

微波輻射計(jì)K波段接收機(jī)每天進(jìn)行一次傾斜曲線定標(biāo)，在微波輻射計(jì)長期的使用過程中，噪聲二極管的注入噪聲溫度T_n會(huì)發(fā)生變化，因此通過傾斜曲線定標(biāo)來修正噪聲二極管的注入噪聲溫度T_n。

傾斜曲線定標(biāo)來修正噪聲二極管的的注入噪聲溫度T_n的具體步驟為：令T_n'＝r×T_n；其中r為修正因子；此時(shí),真正注入到通道的噪聲溫度為r×T_n；為了計(jì)算出修正因子r，具體為：首先定義大氣的Atmospheric airmass為：

a(θ)＝τ(θ)/τ(90)＝1/sin(θ) (9)

上式中，θ是微波輻射計(jì)的觀測角，τ(θ)為微波輻射計(jì)觀測角為θ時(shí)的不透明度；當(dāng)微波輻射計(jì)中K波段天線在兩個(gè)不同的觀測角θ₁和θ₂時(shí)，測量出不同觀測角對(duì)應(yīng)的亮度溫度T_b(θ₁)和T_b(θ₂)，那么計(jì)算出觀測角為θ₁和θ₂時(shí)的不透明度τ₁(θ₁)、τ₂(θ₂)，若用τ₁，τ₂都用a(θ)歸一化，則歸一化后：

t₁＝τ₁(θ₁)/a(θ₁)且應(yīng)等于t₂＝τ₂(θ₂)/a(θ₂) (10)

因此，調(diào)整r使得t₁＝t₂，此時(shí)計(jì)算出修正因子r。

本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在：

本發(fā)明采用的雙頻獨(dú)立旋轉(zhuǎn)天線，這種天線體制的加工難度和成本不僅較低，而且由于減少了極化柵網(wǎng)，天線損耗降低，增加了輻射計(jì)系統(tǒng)的 靈敏度，有效節(jié)省了空間；此外，由于一個(gè)頻段的輻射計(jì)進(jìn)行大氣測量時(shí)，另外一個(gè)頻段可以進(jìn)行常溫黑體定標(biāo)，通過增加定標(biāo)的次數(shù)，有利于提高微波輻射計(jì)的長期穩(wěn)定度；與其它并排獨(dú)立放置兩個(gè)頻段天線的模式相比，兩個(gè)頻段的天線所測量的大氣在空間位置上是重疊的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的框圖。

圖2為本發(fā)明的測量流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)一步說明。

如圖1所示，基于雙頻天線的地基氣象微波輻射計(jì)系統(tǒng)，包括微波輻射計(jì)、電機(jī)、氣壓傳感器、紅外輻射計(jì)、GPS、溫濕傳感器、雨量傳感器、數(shù)據(jù)采集與控制器、電源模塊、計(jì)算機(jī)、室溫黑體定標(biāo)源，氣壓傳感器、紅外輻射計(jì)、GPS、溫濕傳感器、雨量傳感器分別與數(shù)據(jù)采集與控制器相連，數(shù)據(jù)采集與控制器與計(jì)算機(jī)相連，通過電源模塊為系統(tǒng)各器件供電，室溫黑體定標(biāo)源安裝在微波輻射計(jì)內(nèi)，其特征在于：所述的微波輻射計(jì)由K波段天線、K波段接收機(jī)、V波段天線、V波段接收機(jī)組成，K波段天線與K波段接收機(jī)相連，V波段天線與V波段接收機(jī)相連，K波段接收機(jī)和V波段接收機(jī)分別與數(shù)據(jù)采集與控制器相連，且K波段天線與V波段天線背對(duì)背安裝，電機(jī)控制整個(gè)微波輻射計(jì)旋轉(zhuǎn)，微波輻射計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行大氣測量時(shí)，需要對(duì)微波輻射計(jì)進(jìn)行定標(biāo)。系統(tǒng)自身帶有室溫黑體定標(biāo)源，通過對(duì)微波輻射計(jì)進(jìn)行定標(biāo)，使系統(tǒng)的輸出電壓轉(zhuǎn)換為大氣輻射亮溫。本發(fā)明的兩個(gè)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)天線用于信號(hào)接收，其中K波段天線和V波段天線接收的信號(hào)分 別送入K波段接收機(jī)和V波段接收機(jī)，信號(hào)經(jīng)濾波、放大、下變頻以及檢波后，與氣壓傳感器、GPS、溫濕傳感器、雨量傳感器以及紅外輻射計(jì)采集的信號(hào)一起送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，最終反演出大氣溫度、濕度廓線以及液態(tài)水含量。其中，紅外輻射計(jì)可用來判斷是否有云，并根據(jù)有云的情況測出云底的溫度和云底的高度，這些信息可用于大氣參量的反演。

如圖2所示，一種基于雙頻天線的地基氣象微波輻射計(jì)系統(tǒng)的測量方法，其特征在于按系統(tǒng)四點(diǎn)定標(biāo)、噪聲注入定標(biāo)或者增益定標(biāo)、以及傾斜曲線定標(biāo)的步驟進(jìn)行，具體如下：

(1)進(jìn)行大氣亮溫測量前，首先對(duì)輻射計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行四點(diǎn)定標(biāo)；輻射計(jì)系統(tǒng)的非線性模型由下式給出：

V＝GT^α,0.9≤α≤1.1 (1)

上式中，V為檢波器端電壓,G是系統(tǒng)增益,a是非線性因子,T是系統(tǒng)噪聲溫度T_sys與環(huán)境噪聲溫度T_SC之和；其中，非線性因子α，系統(tǒng)噪聲溫度T_sys以及系統(tǒng)增益G都是未知的，常規(guī)兩點(diǎn)定標(biāo)無法求出三個(gè)未知數(shù)；為此，我們可以采用四點(diǎn)定標(biāo)的方法，即通過增加一個(gè)額外的注入噪聲溫度T_n來產(chǎn)生四個(gè)方程，從而獲得系統(tǒng)的定標(biāo)方程；

T_sys+T_cold＝G^-α'V₁^α' (2)

T_sys+T_cold+T_n＝G^-α'V₂^α' (3)

T_sys+T_hot＝G^-α'V₃^α' (4)

T_sys+T_hot+T_n＝G^-α'V₄^α' (5)

上式中，V₁是噪聲二極管關(guān)閉時(shí)輻射計(jì)天線端指向冷源時(shí)的輸出電壓，V₃是噪聲二極管關(guān)閉時(shí)輻射計(jì)天線端指向熱源時(shí)的輸出電壓，冷源指液氮， 熱源指室溫黑體，T_cold是冷源溫度，T_hot是熱源溫度，V₂是噪聲二極管打開時(shí)輻射計(jì)天線端指向冷源時(shí)的輸出電壓；V₄是噪聲二極管打開時(shí)輻射計(jì)天線端指向熱源時(shí)的輸出電壓；建議5-6個(gè)月進(jìn)行一次四點(diǎn)定標(biāo)以修正a和T_n。

(2)當(dāng)K波段天線指向天空進(jìn)行測量時(shí)，V波段天線指向室溫黑體進(jìn)行定標(biāo)，此時(shí)，V波段天線可以根據(jù)需要可以進(jìn)行噪聲注入定標(biāo)或者增益定標(biāo)。其中，增益定標(biāo)的次數(shù)應(yīng)多于噪聲注入定標(biāo)的次數(shù)。通過增加定標(biāo)的次數(shù)，有利于提高微波輻射計(jì)的長期穩(wěn)定度；旋轉(zhuǎn)天線，當(dāng)V波段天線指向天空進(jìn)行測量時(shí)，此時(shí)，K波段天線指向室溫黑體進(jìn)行定標(biāo)，K波段天線可以根據(jù)需要可以進(jìn)行噪聲注入定標(biāo)或者增益定標(biāo)。而噪聲注入定標(biāo)和增益定標(biāo)的具體步驟分別如下：

噪聲注入定標(biāo)的步驟：四點(diǎn)定標(biāo)過程結(jié)束后，由于噪聲二極管的注入噪聲溫度T_n和系統(tǒng)非線性因子a可認(rèn)為比較穩(wěn)定，但是系統(tǒng)的噪聲溫度T_sys和增益G相對(duì)沒那么穩(wěn)定，需要實(shí)時(shí)再進(jìn)行修正。此時(shí)，可以在不使用液氮冷源的情況下，只使用內(nèi)部的室溫吸波材料作為熱源(T_hot)，采用噪聲注入的方法進(jìn)行定標(biāo)，再次修正T_sys和G。此處，噪聲二極管注入溫度T_n和非線性修正系數(shù)α為已知值，定標(biāo)方程如下：

T_sys+T_hot＝G^-α'V₃^α' (6)

T_sys+T_hot+T_n＝G^-α'V₄^α' (7)

增益定標(biāo)的步驟：接收機(jī)溫度的微小變化都將使增益產(chǎn)生波動(dòng)，因此需要更加頻繁的對(duì)增益記性定標(biāo)。假定系統(tǒng)噪聲溫度T_sys穩(wěn)定，通過單點(diǎn)定標(biāo)就可以對(duì)增益G進(jìn)行修正，定標(biāo)方程如下：

T_sys+T_hot＝G^-α'V₃^α' (8)

(3)傾斜曲線定標(biāo)

微波輻射計(jì)K波段接收機(jī)每天進(jìn)行一次傾斜曲線定標(biāo)，在微波輻射計(jì)長期的使用過程中，噪聲二極管的注入噪聲溫度T_n會(huì)發(fā)生變化，因此通過傾斜曲線定標(biāo)來修正噪聲二極管的注入噪聲溫度T_n。

傾斜曲線定標(biāo)來修正噪聲二極管的的注入噪聲溫度T_n的具體步驟為：令T_n'＝r×T_n；其中r為修正因子；此時(shí),真正注入到通道的噪聲溫度為r×T_n；為了計(jì)算出修正因子r，具體為：首先定義大氣的Atmospheric airmass為：

a(θ)＝τ(θ)/τ(90)＝1/sin(θ) (9)

上式中，θ是微波輻射計(jì)的觀測角，τ(θ)為微波輻射計(jì)觀測角為θ時(shí)的不透明度；當(dāng)微波輻射計(jì)中K波段天線在兩個(gè)不同的觀測角θ₁和θ₂時(shí)，測量出不同觀測角對(duì)應(yīng)的亮度溫度T_b(θ₁)和T_b(θ₂)，那么計(jì)算出觀測角為θ₁和θ₂時(shí)的不透明度τ₁(θ₁)、τ₂(θ₂)，若用τ₁，τ₂都用a(θ)歸一化，則歸一化后：

t₁＝τ₁(θ₁)/a(θ₁)且應(yīng)等于t₂＝τ₂(θ₂)/a(θ₂) (10)

因此，調(diào)整r使得t₁＝t₂，此時(shí)計(jì)算出修正因子r。